Technische Grundlagen für Windkraftanlagen

Rotor, Turm und Getriebe: Diese Schlüsselbauteile bestimmen über die Leistungsfähigkeit einer Windkraftanlage. Der Trend geht dabei allgemein zu größeren Windrädern mit einer maximalen Leistung von mehreren Megawatt Strom.

Das Kernstück der Windkraftanlage ist der Rotor, mit dem die kinetische Energie des Windes in Rotationsenergie umgewandelt wird. Dadurch wird der Generator zur Erzeugung elektrischer Energie angetrieben. Er ist in der Gondel oben am Mast über ein Getriebe unmittelbar mit dem Rotor verbunden.

Technische Zeichnung: Querschnitt durch eine Gondel einer Windkraftanlage.
Aufbau Windrad: Rotor und Getriebe

Je nach Art der Anlage hat der Rotor eine unterschiedliche Form und Anzahl von Rotorblättern, die im Prinzip ähnlich gebaut sind wie die Propeller eines Flugzeugs. Dabei gilt die Faustformel: Viele Rotorflügel laufen langsam, haben ein hohes Drehmoment und können schon bei kleineren Windstärken starten. Ihre bekanntesten Einsatzgebiete sind Wasserpumpen und das Mahlen von Getreide. Man spricht von vielblättrigen Langsamläufern.

Die heutigen kompakten Generatoren zur Stromerzeugung erfordern jedoch hohe Drehzahlen. Dies wird durch schnell laufende Rotoren mit möglichst wenig Flügeln erreicht, die aerodynamisch optimiert werden. Dabei spielen Form und Stellung der Rotorblätter eine entscheidende Rolle. Die modernen Schnellläufer benötigen allerdings zum Anfahren höhere Windgeschwindigkeiten von etwa zehn Kilometern pro Stunde. Am Markt sind überwiegend Anlagen mit drei Flügeln zu finden. Die Dominanz dieser Anordnung hat ihre Ursache vor allem darin, dass sie schwingungstechnisch in der Handhabung Vorteile bringen und länger halten.

Rotorblätter sind High-Tech Produkte

Die Energie, die dem Wind entnommen werden kann, hängt auch von der Größe der Fläche ab, die er anweht. Deshalb müssen die Rotorblätter möglichst lang sein. Dadurch werden hohe Masten für die Windkraftanlagen erforderlich. Da außerdem die Windgeschwindigkeit mit der Höhe zunimmt, bieten große Masten einen weiteren Vorteil.

Moderne große Windkraftwerke haben Rotordurchmesser bis zu 109 Metern und mehr, bei Drehzahlen von 0,3 bis 2 Umdrehungen pro Sekunde mit Leistungen von einigen 100 Kilowatt bis zu sechs Megawatt. Allerdings kann die Rotorlänge nicht beliebig groß werden, weil an den Rotorenden enorme Zentrifugalkräfte angreifen. So kommen die Flügelspitzen von 50 Meter-Rotoren bei einer Drehzahl von 0,3 Umdrehungen pro Sekunde auf eine Geschwindigkeit von 340 Kilometern pro Stunde. Dadurch treten Fliehkräfte auf, die dem 18-fachen der Erdbeschleunigung entsprechen. Dies erfordert hohe Ansprüche an die Zerreißfestigkeit der verwendeten Materialien und äußerst präzise Berechnungen der Konstruktion.

Große Fortschritte seit 1980

Die technische Entwicklung der Windenergie seit 1980 ist beeindruckend. Zum großen Teil bedingt durch die erhebliche öffentliche Förderung von Forschung und Entwicklung hat sich die durchschnittliche Leistung der Windkraftanlagen von etwa 30 Kilowatt auf 3,2 Megawatt im Jahr 2016 erhöht. Gleichzeitig vergrößerte sich der Rotordurchmesser von 15 Meter auf durchschnittlich 109 Meter und die Nabenhöhe von 30 Meter auf durchschnittlich 128 Meter. Allerdings schwankt die Nabenhöhe erheblich, und zwar nach Angaben des Bundesverbandes Windenergie von 2016 je nach Standort zwischen 149 Metern in Bremen und nur 99 Metern in Schleswig-Holstein.

Die Rotorblätter sind um ihre Längsachse verstellbar. Dadurch kann die Drehzahl der Rotoren bei wechselnden Windgeschwindigkeiten weitgehend konstant gehalten werden. Außerdem kann bei starkem Wind so die Angriffsfläche verkleinert und bei schwachem Wind vergrößert werden.

Weiterhin ist die Gondel am Mast drehbar gelagert, wodurch sich die Rotoren den wechselnden Windrichtungen anpassen können. Bei zu hohen Windgeschwindigkeiten , etwa 25 Meter pro Sekunde , die wegen der hohen Zentrifugalkräfte zu Beschädigungen der Rotoren führen könnten, kann die Anlage automatisch durch Verstellen der Rotorblätter aus dem Wind genommen werden.

Nach Angaben des Bundesverbandes Windenergie von April 2017 hat sich die Zahl der installierten Windkraftwerke auf dem Land und vor der Küste in den zehn Jahren von 2006 bis 2016 um 51 Prozent vergrößert, wobei die Leistung um den Faktor 2,4 gestiegen ist.